CN111531211B - 一种钢轨铣削作业实时控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨铣削作业实时控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：传感器及标定；步骤2：装置跟随控制策略；步骤3：铣削作业不同阶段下传感器目标值；步骤4：垂向传感器融合算法；步骤5：主轴恒功率补偿策略。本发明应用传感器融合算法，避免了钢轨三维轮廓构建算法的复杂性，根据简单的钢轨轮廓信息，拟合求解铣削点处的钢轨形状轮廓值，大大简化了算法计算，满足作业控制的实时性要求；并且采用主轴恒功率补偿方法，进行进退刀控制量的补偿，可一定程度抵消切削点处钢轨轮廓数据的拟合误差，使钢轨铣后平顺性更好。

Description

一种钢轨铣削作业实时控制方法

技术领域

本发明涉及轨道交通维护只能装备领域，具体为一种钢轨铣削作业实时控制方法。

背景技术

钢轨铣磨车是钢轨维护的重大智能装备。钢轨投入使用后，表面会逐渐产生形变和微裂纹等病害，恶化后形成肥边、剥落等缺陷，新开通线路3-9个月即产生波浪磨耗、鱼鳞纹、肥边及剥落等损伤，加剧列车和轨道震动，造成部件损坏，给轨道运营的安全性和舒适性带来重大不利影响。对钢轨进行及时的科学维护将会有效保障铁路安全经济地运行，重载铁路经过定期钢轨维护，可将钢轨寿命从通过重量4亿吨提高到22亿吨，大大降低钢轨更换造成的材料、人力及运力损失。钢轨铣磨车是专门用于轨道维护保养的重大智能装备，能有效去除钢轨病害，修复钢轨断面轮廓，延长钢轨使用寿命。

钢轨铣削作业装置是钢轨铣磨车的关键核心部件，钢轨铣削装置控制系统技术复杂程度高、难度大，国际上只有奥地利林辛格(Linsigner)公司、德国MFL公司等少数公司生产研发，国内中国中车、中铁建等单位也组织进行了科研攻关，目前对核心控制技术均未取得有效的成果。

发明内容

1.本发明提出一种钢轨铣削作业实时控制方法，可以满足铣削过程控制算法对实时性的要求，为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种钢轨铣削作业实时控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：传感器及标定；

步骤2：装置跟随控制策略；

步骤3：铣削作业不同阶段下传感器目标值；

步骤4：垂向传感器融合算法；

步骤5：主轴恒功率补偿策略。

与现有技术相比，本发明提供了一种钢轨铣削作业实时控制方法，具备以下有益效果：

1、本发明中应用传感器融合算法，避免了钢轨三维轮廓构建算法的复杂性，根据简单的钢轨轮廓信息，拟合求解铣削点处的钢轨形状轮廓值，大大简化了算法计算，满足作业控制的实时性要求；

2、本发明中采用主轴恒功率补偿方法，进行进退刀控制量的补偿，可一定程度抵消切削点处钢轨轮廓数据的拟合误差，使钢轨铣后平顺性更好；

附图说明

图1为本发明中垂向铣前铣后双传感器测量示意图；

图2为本发明中传感器目标值随作业阶段变化示意图；

图3为本发明中主轴恒功率补偿示意图。

具体实施方式

本发明提供一种技术方案：一种钢轨铣削作业实时控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：传感器及标定；

步骤2：装置跟随控制策略；

步骤3：铣削作业不同阶段下传感器目标值；

步骤4：垂向传感器融合算法；

步骤5：主轴恒功率补偿策略。

本实施例中，所述步骤1：传感器及标定中，在设备出厂前，应完成传感器及控制系统标定，标定的传感器的数据记为V₀、电机导轨丝杠的读数记为P₀。

本实施例中，所述步骤2：装置跟随控制策略中，钢轨铣削装置通过车体连接板与钢轨铣磨车连接，采用单边半悬挂的方式安装在车体上；在铣削作业过程中，钢轨铣削装置通过压靴和液压缸共同构成浮动恒压力系统，故控制系统在正式作业前保持铣削装置在机车行进时跟随钢轨轮廓，以免发生非预期的碰撞；

当钢轨铣磨车通过弯道时，控制系统控制铣削装置跟随目标钢轨变化；当钢轨铣磨车坡道行驶时，控制系统保持铣削装置与钢轨垂向距离恒定；

用于钢轨轮廓检测的激光扫描仪与钢轨铣削装置机械本体刚性连接，铣削装置实时跟随即为保持传感器测量数据V_Dst恒定，控制策略可以表达为：

P_i+1＝P_i+(V_i-V_Dst) (1)

式(1)中，P_i为i时刻的电机位置值，V_i为i时刻的传感器的位置值，P_i+1为电机i+1时刻的目标位置值。

本实施例中，所述步骤3：铣削作业不同阶段下传感器目标值中，为叙述方便，引入新的参数变量：

(1)轨距修正和刀偏。为保证铣削装置跟随的安全性，引入铣削偏移量参数，即铣刀盘与钢轨的固定偏移距离。其中：横向偏移量记为轨距修正，垂向偏移量记为刀偏，记为offset。

(2)切深。为控制铣削的深度，引入切深这一参数，记为Depth。切深值越大，进刀量越大。

(3)装置初始位。铣削装置在开始跟随阶段，距轨面的距离，记为D_IniPos。D_IniPos越大，刀盘距钢轨距离越大。

(4)作业初始位。铣削装置在作业初始阶段，距轨面的距离，记为W_IniPos。W_IniPos越大，刀盘距钢轨距离越大。为确保安全，有如下限制：

W_IniPos<D_IniPos (2)

(5)顺坡长度。为保证铣削作业初始段的平缓性，铣削装置从作业初始位W_IniPos到切深为Depth处，需要在一定长度范围内线性完成，把这一长度叫做顺坡长度，记为Length。顺坡切出同理，不再赘述。

(6)切深偏移量。为方便用户在作业过程中实时控制切深，额外引入切深控制量，记为Bias。Bias与Depth一样，对铣削深度进行控制。Bias受用户按钮控制，用户可在作业过程中通过按钮人为改变Bias，以加大或减少铣削深度对作业不同阶段的传感器跟随目标设定如下：

(1)作业跟随阶段：以装置初始位D_IniPos为跟随目标，目标值为：

V_Dst＝V₀+D_IniPos+offset (3)

(2)作业准备阶段：以作业初始位W_IniPos为跟随目标，目标值为：

V_Dst＝V₀+W_IniPos+offset (4)

(3)顺坡切入阶段：顺坡切入阶段，刀盘的切入值实时动态变化。跟随目标值为：

式中：L_i为当前测速轮里程位置，L₀为开始顺坡切入时里程位置；

(4)铣削作业阶段：以设定切深Depth和切深偏移Bias为跟随目标，目标值为：

V_Dst＝V₀+offset-Depth-Bias (6)

(5)顺坡切出阶段：顺坡切出阶段与顺坡切入阶段时相对应，刀盘切入值实时动态变化，目标值为：

式中：L_i为测速轮当前里程位置，L₀为开始顺坡切出时里程位置。

参照图2，传感器目标值在铣削过程3、4、5阶段均为线性变化，可以有效避免进刀、出刀过程造成钢轨的台阶出现，保证铣削作业始末段的平缓性。

本实施例中，所述步骤4：垂向传感器融合算法中，具体步骤如下：

(1)传感器融合的基本原理

参照图1，为实现钢轨铣削作业的实时控制算法，将铣前传感器数据与铣后传感器数据融合计算得到切削点处钢轨轮廓数据，以此数据用于实时铣削控制计算。采用传感器融合技术，即在切削点处虚拟安装1个传感器；

在这里，我们假设钢轨是平直的，根据几何关系：

用式(8)计算得到的V，代替V_i，代入公式(1)，计算伺服电机的进刀量；

(2)对V₀的修正

同时，需要对V₀进行修正，根据公式(8)，可得：

式中，V₁₀为刀盘对刀时，传感器1的值；V₂₀为刀盘对刀时，传感器2的值。将根据公式(9)重新计算得到的V₀代入公式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)重新计算跟随目标值；

(3)对Depth的修正

如果作业人员设置的垂向切深为Depth，则根据公式(8)，铣削点的实际切深Depth，为：

即实际切深更深一些。因此，如果想要的实际切深为Depth，则需对公式(10)进行转换，得到：

再将Depth，代替Depth，代入公式(5)、(6)、(7)、(8)、(9)重新计算跟随目标值。

采用传感器融合算法拟合求解铣削点处的钢轨形状轮廓值，对钢轨波长较长的波磨病害有较好的铣削效果，实现“削长波”的修复策略。

本实施例中，所述步骤5：主轴恒功率补偿策略中，采用传感器融合技术能够很好地解决长波波磨病害铣削，但因数据融合误差仍会造成铣削作业过程中产生进退刀误差，为了补偿拟合误差造成的影响，本发明提出了一种主轴功率补偿方法。

在铣削作业过程中，主轴功率E受到垂向铣削和横向铣削的影响，即：

E＝E_横+E_纵 (12)

实际作业过程中，横向铣削主要用于解决肥边及侧向磨耗病害，纵向铣削因钢轨顶面宽度较大，且一般顶面铣削量较大，故有如下关系：

E_纵＞＞E_横 (13)

参照图3，为简化起见，可以用E来代替E_纵，在这里，把第i个时刻主轴功率值记为E_i：

(1)当Power-ΔH₁≤E_i≤Power+ΔH₁时，不对V_Dst进行调整；

(2)当E_i>Power+ΔH₁时，对V_Dst进行定量修正，V_Dst向增大方向调整，即适当提刀，实现主轴功率会下降，如式(14)所示：

V_Dst＝V_Dst+ΔV (14)

直到E_i≤Power+ΔH₀，则停止修正；

(3)E_i<Power-ΔH₁时，对V_Dst进行定量修正，V_Dst向减小方向调整，意味着进刀，这样主轴功率会上升；

V_Dst＝V_Dst+ΔV (15)

直到E_i≥Power-ΔH₀，则停止修正；

(4)功率调整从1次开始调整到结束记为一次完整的调整；为满足钢轨铣削平顺性要求，两次完整调整间隔距离需大于固定值，开始下一次调整；把两次调整最小的里程数记为L_min；

(5)按照铁标TB/T 3521-2018的要求，钢轨铣削作业平顺性精度要求如下：

波长10～100mm：±0.02mm

波长100～300mm：±0.04mm (16)

波长300～1000mm：±0.15mm

为满足平顺性精度要求，恒功率补偿策略调整幅度不超过0.01mm；设钢轨铣削作业控制系统控制周期为T(ms)，在铣削作业的过程中，钢轨铣磨车以低恒速行驶，速度为Vol(单位为km/h)，故有：

按照公式(17)调整ΔV，进而改变V_Dst，可以使得铣削的平顺性精度满足要求；

(6)实际应用中需要根据切深Depth，铣削作业速度Vol共同确定Power、ΔH₀、ΔH₁等参数，切深越大，一般来讲铣削作业速度越快，主轴功率越大，需要设置合适的带宽参数ΔH₀、ΔH₁。

以上所述，仅为发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种钢轨铣削作业实时控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：传感器及标定；

步骤2：装置跟随控制策略；

步骤3：铣削作业不同阶段下传感器目标值；

步骤4：垂向传感器融合算法；

步骤5：主轴恒功率补偿策略；

所述步骤3：铣削作业不同阶段下传感器目标值中，对作业不同阶段的传感器跟随目标设定如下：

(1)作业跟随阶段：以装置初始位D_IniPos为跟随目标，目标值为：

V_Dst＝V₀+D_IniPos+offset (2)

(2)作业准备阶段：以作业初始位W_IniPos为跟随目标，目标值为：

V_Dst＝V₀+W_IniPos+offset (3)

(3)顺坡切入阶段：顺坡切入阶段，刀盘的切入值实时动态变化；跟随目标值为：

式中：L_i为当前测速轮里程位置，L₀为开始顺坡切入时里程位置；

(4)铣削作业阶段：以设定切深Depth和切深偏移Bias为跟随目标，目标值为：

V_Dst＝V₀+offset-Depth-Bias (5)

(5)顺坡切出阶段：顺坡切出阶段与顺坡切入阶段时相对应，刀盘切入值实时动态变化，目标值为：

式中：offset为刀偏，Depth为切深，D_IniPos为装置初始位，W_IniPos为作业初始位，Length为顺坡长度，Bias为切深偏移量，L_i为测速轮当前里程位置，L₀为开始顺坡切出时里程位置；

所述步骤4：垂向传感器融合算法中，具体步骤如下：

(1)传感器融合的基本原理

采用传感器融合技术，在切削点处虚拟安装1个传感器；

根据几何关系：

用式(7)计算得到的V，代替V_i，代入公式(1)，计算伺服电机的进刀量；

(2)对V₀的修正

同时，需要对V₀进行修正，根据公式(7)，可得：

式中，V₁₀为刀盘对刀时，传感器1的值；V₂₀为刀盘对刀时，传感器2的值；将根据公式(8)重新计算得到的V₀代入公式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)重新计算跟随目标值；

(3)对Depth的修正

设置的垂向切深为Depth时，则根据公式(7)，铣削点的实际切深Depth′为：

实际切深为Depth时，则需对公式(9)进行转换，得到：

再将Depth′代替Depth，代入公式(4)、(5)、(6)、(7)、(8)重新计算跟随目标值；

所述步骤5：主轴恒功率补偿策略中，在铣削作业过程中，主轴功率E受到垂向铣削和横向铣削的影响，即：

E＝E_横+E_纵 (11)

实际作业过程中，横向铣削主要用于解决肥边及侧向磨耗病害，纵向铣削因钢轨顶面宽度较大，且一般顶面铣削量较大，故有如下关系：

E_纵＞＞E_横 (12)

为简化起见，可以用E来代替E_纵，在这里，把第i个时刻主轴功率值记为E_i：

(1)当Power-ΔH₁≤E_i≤Power+ΔH₁时，不对V_Dst进行调整；

(2)当E_i＞Power+ΔH₁时，对V_Dst进行定量修正，V_Dst向增大方向调整，即适当提刀，实现主轴功率会下降，如式(13)所示：

V_Dst＝V_Dst+ΔV (13)

直到E_i≤Power+ΔH₀，则停止修正；

(3)E_i＜Power-ΔH₁时，对V_Dst进行定量修正，V_Dst向减小方向调整，意味着进刀，这样主轴功率会上升；

V_Dst＝V_Dst+ΔV (14)

直到E_i≥Power-ΔH₀，则停止修正；

(4)功率调整从1次开始调整到结束记为一次完整的调整；为满足钢轨铣削平顺性要求，两次完整调整间隔距离需大于固定值，开始下一次调整；把两次调整最小的里程数记为L_min；

(5)按照铁标TB/T 3521-2018的要求，钢轨铣削作业平顺性精度要求如下：

波长10～100mm：±0.02mm

波长100～300mm：±0.04mm (15)

波长300～1000mm：±0.15mm

为满足平顺性精度要求，恒功率补偿策略调整幅度不超过0.01mm；设钢轨铣削作业控制系统控制周期为T，在铣削作业的过程中，钢轨铣磨车以低恒速行驶，速度为Vol，故有：

按照公式(16)调整ΔV，进而改变V_Dst，使得铣削的平顺性精度满足要求；

(6)实际应用中需要根据切深Depth，铣削作业速度Vol共同确定Power、ΔH₀、ΔH₁等参数，切深越大，铣削作业速度越快，主轴功率越大，需要设置合适的带宽参数ΔH₀、ΔH₁；

所述步骤1：传感器及标定中，在设备出厂前，完成传感器及控制系统标定，标定的传感器的数据记为V₀、电机导轨丝杠的读数记为P₀；

所述步骤2：装置跟随控制策略中，钢轨铣削装置通过车体连接板与钢轨铣磨车连接，采用单边半悬挂的方式安装在车体上；在铣削作业过程中，钢轨铣削装置通过压靴和液压缸共同构成浮动恒压力系统，控制系统在正式作业前保持铣削装置在机车行进时跟随钢轨轮廓；

当钢轨铣磨车通过弯道时，控制系统控制铣削装置跟随目标钢轨变化；当钢轨铣磨车坡道行驶时，控制系统保持铣削装置与钢轨垂向距离恒定；

用于钢轨轮廓检测的激光扫描仪与钢轨铣削装置机械本体刚性连接，铣削装置实时跟随即为保持传感器测量数据V_Dst恒定，控制策略可以表达为：

P_i+1＝P_i+(V_i-V_Dst) (1)

式(1)中，P_i为i时刻的电机位置值，V_i为i时刻的传感器的位置值，P_i+1为电机i+1时刻的目标位置值。

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